blz_logo12,9

Urknall-Forschung: Blick in die Kinderstube des Alls

Das Netz des Universums sieht aus wie das Nervengeflecht eines Körpers. Entlang seiner Strukturen gruppieren sich Galaxien jeglicher Form. Jede von ihnen ist so groß wie unsere
Milchstraße oder größer.

Das Netz des Universums sieht aus wie das Nervengeflecht eines Körpers. Entlang seiner Strukturen gruppieren sich Galaxien jeglicher Form. Jede von ihnen ist so groß wie unsere
Milchstraße oder größer.

Foto:

Illustris Collaboration/Nature

Im Anfang war das Universum wüst und ziemlich leer. Nur kalte Gaswolken drifteten durch den Raum. Kein Lichtstrahl durchdrang das Dunkel, denn noch schien im ganzen All kein Stern. Dann aber flammten die himmlischen Leuchtfeuer nacheinander auf, wie Kerzen an einem kosmischen Kandelaber. Stern um Stern bildete sich – es ward Licht im Universum. Die Gasmassen hatten sich mancherorts zu Klumpen verdichtet, die sich unter dem Sog der Gravitation immer weiter zusammenballten und dabei aufheizten. Schließlich war die „Zündtemperatur“ erreicht – erste Kernfusionsreaktionen begannen. Die Gasbälle strahlten die frei werdende Energie in Form von Photonen ab, die von da an das All mit Licht und Wärme erfüllten.

Auch auf größeren Skalen kollabierten Gaswolken. Aus diesen Gebilden formierten sich kleine Urgalaxien. Viele von ihnen kollidierten, verschmolzen miteinander und gewannen so an Masse. Auf diese Weise entwickelten sich die Spiralgalaxien, zu denen auch unsere Milchstraße zählt. Sie dürfte Computersimulationen zufolge aus rund einer Million solcher Zwerggalaxien hervorgegangen sein. Die meisten der riesigen elliptischen Galaxien, die oft in den Zentren von Galaxienhaufen stehen, entstanden erst in einem späteren Stadium durch Zusammenstöße von Spiralnebeln. Ein Teil von ihnen wuchs aber von vornherein zu riesigen Sternenklumpen heran. Diese Prozesse begannen bereits wenige Dutzend bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand.

Astronomen tasten sich langsam vor

So skizzieren die Kosmologen die Entstehung der ersten Strukturen im All. Dieses Bild war über Jahrzehnte hinweg aber nur grob gerastert und beruhte hauptsächlich auf Computermodellen. Physikalische Feinheiten von Geburt und Weiterentwicklung der Ursonnen und -galaxien blieben den Himmelsforschern indes verborgen, weil sie nicht in den kosmischen Kreißsaal schauen konnten. Dabei wäre dies für sie sehr wichtig, denn das frühe Universum gibt ihnen noch einige Rätsel auf. So ist unklar, warum Sterne und Galaxien schon so bald nach dem Urknall entstanden und wie dies genau geschah. Und: Wieso gab es nur wenig später Schwarze Löcher von der milliardenfachen Masse unserer Sonne – und weshalb wuchsen sie in der Folge nicht noch weiter?

Um Antworten zu finden, müssen die Wissenschaftler mehr darüber wissen, was während des Dunklen Zeitalters geschah. So nennen sie eine kosmische Epoche, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall begann und knapp eine Milliarde Jahre anhielt. Erst von da an war das All durchlässig für das Licht, und es gab Sterne und Galaxien, die darin leuchteten. Bislang galt es aber als unmöglich, diese frühen Objekte zu entdecken. Zum einen absorbierten die urtümlichen Gaswolken das Licht der ersten Sterne. Zudem verschoben sich dessen Wellenlängen in den infraroten Teil des Spektrums, doch diese Strahlung wird von der Erdatmosphäre geschluckt. Zum anderen leuchteten die jungen Sonnen in vielen Milliarden Lichtjahren Distanz. Deshalb glimmen sie von der Erde aus gesehen nur äußerst schwach am Rand des beobachtbaren Universums. Mit irdischen Teleskopen ließen sie sich daher nicht direkt aufspüren.

Dies ändert sich jedoch gerade. Mit immer besseren Beobachtungsinstrumenten und -methoden tasten sich die Astronomen an die Prozesse heran, die das frühe Universum prägten. Dabei gelangen ihnen in jüngster Zeit einige Durchbrüche. So konnte eine Arbeitsgruppe um den Astronomen David Sobral von der Universität Lissabon kürzlich Licht von Sternen der ersten Generation erhaschen. Mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, das auf dem Berg Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste steht, nahmen die Forscher helle Galaxien aus jener Epoche unter die Lupe, in der das Universum gerade 800 Millionen Jahre alt war. Dabei fiel ihnen eine besonders lichtstarke Sterneninsel auf. Sie erhielt die Katalogbezeichnung CR7 und entpuppte sich als die hellste je im frühen All entdeckte Galaxie.

Große Sterne ereilte ein früher Tod

In einer Art wissenschaftlicher Detektivarbeit spürten Sobral und seine Kollegen darin die Ursterne auf. Dazu muss man wissen, dass diese anders entstanden als die heutigen Sterne. Sie wuchsen zu wahren Giganten heran, mit der 100- bis 1000-fachen Masse unserer Sonne. Ihre Oberflächentemperatur lag mit fast 100.000 Grad Celsius etwa 18 Mal höher als die unserer Sonne, und sie strahlten etwa eine Million Mal heller. Diese Größe hatte jedoch einen Preis: Die ersten Sterne lebten nicht lange. Unserer Sonne schreiben die Astronomen eine Lebenserwartung von zehn Milliarden Jahren zu. Den mächtigsten ihrer Urahnen ging der Brennstoff aber bereits nach ein bis zwei Millionen Jahren aus. Dann endeten sie in furiosen Supernova-Explosionen.

Der Unterschied beruhte auf der chemischen Zusammensetzung der Ursterne. Sie bestanden aus Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Nur diese Elemente waren im Feuerball des Urknalls entstanden. Die meisten weiteren Elemente – in der Astronomie „Metalle“ genannt – bildeten sich in den Fusionsöfen der Monstersonnen. Die schwersten, etwa Uran, wurden dagegen in den Supernova-Explosionen an deren Lebensende geschmiedet. Dieses Feuerwerk verteilte sie im All, wo sie sich im interstellaren Gas anreicherten. Von da an lieferte jede neue Sterngeneration weitere Metalle hinzu. Entsprechend weisen die später aus dieser Materie entstandenen Sterne, die gegenwärtig im Kosmos leuchten, den höchsten Gehalt an schweren Elementen auf. Diese Beimischung bremst ihr Wachstum, dafür leben sie länger.

Zahlreiche Sterne in einer Gaswolke

Die Himmelsforscher unterteilen sie in mehrere Kategorien. Eine ist die so genannte Population I, der sehr metallreiche Sterne wie unsere Sonne angehören. Daneben finden sich ältere und metallärmere Sterne der Population II. Sie bevölkern bevorzugt den Außenbereich der Milchstraße, wo die interstellare Materie weniger schwere Elemente enthält. Die gänzlich metallfreien Sterne der ersten Generation bilden entsprechend die Population III. Diese hatte sich bislang der Beobachtung entzogen. Doch als Sobral und seine Kollegen CR7 näher untersuchten, entdeckten sie einen auffälligen, eng abgegrenzten Bereich. In dem von dort abgestrahlten Licht fanden sich keinerlei Anzeichen für Metalle. „Als wir die Natur von CR7 Stück für Stück enthüllten, begriffen wir, dass wir nicht nur die bei weitem hellste weit entfernte Galaxie gefunden haben, sondern dass sie auch alle Charakteristika aufweist, die wir für Sterne der Population III erwarten“, erklärt Sobral. Nachbeobachtungen mit anderen Teleskopen bestätigten das.

Eine weitere bedeutende Entdeckung im frühen Universum gelang einer Gruppe um den Astrophysiker Roberto Maiolino vom Cavendish Laboratory der britischen Universität Cambridge. Die Forscher richteten das ebenfalls in Chile installierte Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (Alma) auf Galaxien, die man in dem Zustand sieht, den sie 800 Millionen Jahre nach dem Urknall erreicht hatten. Maiolino und seine Kollegen wollten herausfinden, wie die Ursonnen und die kalten Gasklumpen, die sich gerade zu den ersten Galaxien verdichteten, einander beeinflussen. Von einem dieser Objekte empfing Alma ein schwaches, aber deutliches Signal.

Wie sich zeigte, handelte es sich um die am weitesten entfernte Gaswolke, die je im frühen Universum gefunden wurde. In ihrem Innern entstehen Sterne in großer Zahl. „Dies ist der Nachweis der am weitesten entfernten Emission dieser Art aus einer normalen Galaxie“, konstatiert Studien-Mitautor Andrea Ferrara von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa. „Damit haben wir die Gelegenheit, die Entstehung der ersten Galaxien zu beobachten. Zum ersten Mal sehen wir frühe Galaxien nicht nur als winzigen Lichtfleck, sondern als Objekte mit einer inneren Struktur.“

Nur wenige Wochen später kam die nächste Erfolgsmeldung: Mit irdischen und Weltraumteleskopen spürten US-Astronomen eine Galaxie auf, die rund 13,2 Milliarden Jahre alt ist. Folglich ist das Objekt mit der Katalognummer EGSY8p7 in einem Zustand zu sehen, den es 600 Millionen Jahre nach dem Urknall innehatte. Damit ist es das am weitesten entfernte Himmelsobjekt, das die Kosmologen bis heute fanden.

Urgalaxien erscheinen als diffuse Lichtflecke

Noch jünger sind Sterneninseln, deren Existenz Forscher der University of California in Irvine (UCI) und vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (US-Staat Maryland) in einer Studie nachwiesen. Es gab sie bereits, als das Universum gerade 500 Millionen Jahre alt war. Allerdings gelang den Astronomen nur ein Indizienbeweis, direkt sehen konnten sie die Objekte nicht.

Sie nahmen Daten des Hubble-Weltraumteleskops unter die Lupe, die von mehreren tiefen Durchmusterungen des All stammten, und trennten mit Hilfe statistischer Methoden Signale, die von Himmelsobjekten stammen, vom „Rauschen“ ab, das unvermeidlich durch Störstrahlung auftritt. Als Signalquelle verorteten die Studienautoren eine Reihe kleiner, urtümlicher Galaxien im frühen Universum. „Es ist die früheste kosmische Epoche, die man mit Hubble untersuchen kann“, sagt Hauptautor Ketron Mitchell-Wynne von der UCI. Hochrechnungen ergaben, dass es im Universum zehnmal mehr dieser Sterneninseln geben muss als in Aufnahmen des frühen Universums zu sehen sind.

Nach Aufassung des UCI-Forschers Asantha Cooray unterscheiden sich die Urgalaxien deutlich von den klar strukturierten Spiralnebeln und elliptischen Galaxien im heutigen Universum. Sie erscheinen als diffuse Lichtflecken, in denen riesige Sternen strahlen. „Diese Galaxien leuchten nur schwach“, bekräftigt Cooray. „Wenn wir aber größere Teleskope haben, wie das James-Webb-Weltraumteleskop, das 2018 starten soll, werden wir noch viel tiefer ins All blicken können und die ersten Objekte direkt und individuell beobachten können.“

Parallel zu den Beobachtungen betrachten die Kosmologen die Evolution des Universums per Computer. Ihren Theorien zufolge begann unmittelbar nach dem Urknall die sogenannte kosmische Inflation: Ein rätselhaftes Energiefeld blähte das All um ein Vielfaches seiner ursprünglichen Größe auf. Gebiete unterschiedlicher Dichte wuchsen dabei ebenfalls exponentiell. Hauptsächlich bestanden die Verdichtungen aus Dunkler Materie. Sie zogen durch ihre Schwerkraft normale sichtbare Materie an, die sich in diesen Bereichen ansammelte. Aus diesen Ballungen entstanden mit der Zeit Galaxien, die sich wie in einem Netz zu Haufen und Superhaufen verbanden. Dazwischen klafften große, nahezu galaxienfreie Leerräume. Im Universum entwickelte sich somit eine wabenartige Struktur.

Die Blicke gehen weiter und tiefer

Diese Entwicklung war in groben Zügen schon länger bekannt. Doch ein neues Modell , das Kosmologen Ende 2014 vorstellten, reproduziert diesen Prozess detailreich wie nie zuvor. Diese so genannte Illustris-Simulation lässt nicht nur das kosmische Netz am Bildschirm entstehen, sondern zeigt auch, wie die vielfältigen Erscheinungsformen der Sterneninseln entstehen, also irregulär geformte, elliptische oder Spiralgalaxien sowie die zahlreichen Zwerggalaxien, die als Satelliten die großen Sternenballungen umschwirren. „Es ist bemerkenswert, dass die Anfangsbedingungen des Universums, die wir kurz nach dem Urknall beobachten, tatsächlich Galaxien von der richtigen Größe und Gestalt hervorbringen“, erklärt der Astrophysiker Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology, der die Illustris-Gruppe leitet.

Zudem seien die berechneten Galaxien im Raum so verteilt, wie es die Astronomen mit ihren Teleskopen beobachten, was indirekt das Standardmodell der Kosmologie bestätige, so Vogelsberger weiter. Es beruht auf der Hypothese, dass das Universum von der Dunklen Materie und der mysteriösen Dunklen Energie dominiert wird. Zwar ist deren physikalische Natur noch unbekannt, dennoch kann man ihre Auswirkungen auf die Evolution des Universums mit Supercomputern nachvollziehen. Sie beschleunigt die Expansion des Universums und treibt damit die Galaxien immer weiter auseinander.

Tatsächlich werden die Instrumente der Astronomen immer besser. In den kommenden Jahren werden sie noch tiefer ins All blicken und dann die allerersten Sterne und Galaxien sehen, und sie können verfolgen, wie die schweren Elemente entstanden, aus denen die Erde und auch wir Menschen bestehen. Im Zusammenspiel mit den Modellen dürften sie dann die Geschichte des Universums vom Urknall bis heute enträtseln und und auch seine Zukunft prognostizieren können. Die Himmelsforschung steht vor spannenden Zeiten.



Neue Nachrichten

Wir haben neue Artikel für Sie. Möchten Sie jetzt die aktuelle Startseite laden?